大件运输车辆过桥监测系统设计与应用

段卫党，邓泽城，钟强铭

(1.江西省交通投资集团有限责任公司，江西 南昌 330025；

2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

大件运输车辆指承运几何尺寸超限或质量超限货物的特殊运载车辆。数据统计表明，随着国民经济发展的带动，运输货物的尺寸、重量不断刷新记录[1]，大件运输车辆在公路运输中的频率呈现逐年增长的态势[2]。桥梁作为公路运输的关键节点，建成后受到环境等因素的影响，材料的逐渐腐蚀老化和结构损伤的积累，将使桥梁的健康状况和承载能力随着时间的推移而逐渐降低。当承受远超设计荷载的特殊运营荷载时，桥梁将面临巨大挑战，若不加以重视，大件运输货物可能会导致桥梁倒塌，将造成严重的人身伤亡和财产损失[3-5]。因此，有必要对桥梁结构承载能力进行评估，进而判定桥梁是否满足大件运输车辆过桥要求。

周广利[6]基于荷载效应比较法，以多轴液压轴线车为标准车型，探索建立了装配式简支梁桥通行能力的判定标准。钟杰等[7]以实际项目为依托，提出了一套适用于普通公路大件设备运输的桥梁通过性评估体系。李键等[8]基于可靠度理论，分析了大件运输在实际情况中，桥梁技术状况等级对大件运输承载能力的影响。袁阳光等[9]基于安全性与正常使用性能要求形成了大件运输车辆过桥评估方法框架，并依托可靠度理论研究了评估目标可靠指标、分项系数校准、临界荷载效应比值确定等问题。邵永军等[10]结合对陕西省高速公路桥梁桥型类型和跨径大小的调查，提出了适用于大件运输车辆通行桥梁安全评估的两阶段快速评估方法体系。然而，以上大件运输车辆过桥安全性评定方法并未考虑桥梁实际运营状态对大件运输车辆通行产生的影响。此外，荷载试验作为桥梁最可靠的安全性评估方法，虽能对桥梁承载能力进行精确评定，但经济和时间成本较高，还可能对桥梁造成不可逆的损伤。在此情况下，对桥梁进行健康监测和安全状态评估无疑是一种很好的选择，为此需在大件运输车辆通行频繁的路段建立健康监测系统。

目前，有关健康监测系统的研究热点基本都是针对大跨度桥梁[11-13]，对中小跨径桥梁的健康监测系统鲜有研究，加之大件运输车辆荷载特性与普通轿车和货车的荷载特性差异较大。在此，根据大件运输车辆通过中小跨径桥梁所需监测的数据，设计了一套大件运输车辆过桥监测系统，可用于桥梁运营状态评估和大件运输车辆通行时的安全预警。

1.1 设计原则

结合大件运输车辆过桥需要监测的数据和中小跨径桥梁受力特点，大件运输车辆过桥监测系统应包括以下功能：① 挠度监测；
② 应变监测；
③ 裂缝开展情况监测；
④ 结构动力特性监测；
⑤ 桥面实时抓拍和监控功能；
⑥ 数据储存与数据传输；
⑦ 数据处理功能。

同时考虑到健康监测系统长期的服务质量，健康监测系统设计还应满足以下要求：① 基于实用、可靠、经济、耐久的设计原则；
② 仪器方便布设；
③ 对结构进行静力和动力监测；
④ 以结构位移、应变监测为主，以定期振动特性监测为辅。

1.2 系统总体框架

基于大件运输车辆过桥监测系统功能需求和设计原则，设计大件运输车辆过桥健康监测系统总体框架与其应用流程如下：首先选取桥梁结构关键截面布设传感器，当大件运输车辆行驶时，通过数据采集子系统收集挠度、应变等信息，摄像头同时抓拍车辆过桥全过程，避免大件运输车辆偏载作用于桥梁结构，然后通过数据传输子系统将所有数据上传至数据库进行存储、分析，最后，预警系统根据提前设定的阈值判定桥梁结构是否处于安全状态，若某项数据超过阈值，则向技术人员发送警告信息，技术人员及时实施相应的解决措施，从而保证大件运输车辆安全通过桥梁。

健康监测系统主要由传感器模块、数据采集模块、数据传输模块、监控中心、预警系统5个部分组成。其中传感器模块包括FTND-4结构体挠度传感器、BGK-FBG-4000T型光纤应变计、BGK-FBG-4420型光纤光栅测缝计和抓拍系统；
数据采集模块由BGK-FBG-8600型光纤光栅解调仪和挠度采集仪组成；
数据传输模块主要有无线通讯设备和光纤两种传输方式；
监控中心是整个健康监测系统的核心，主要控制现场监测、数据采集、数据处理和数据传输并且可以对现场故障进行诊断和自处理。预警系统是通过预先设置的阈值，对监测数据进行安全性判断。下面将对各个组成模块采用的仪器进行详细说明。

2.1 传感器模块

2.1.1FTND-4结构体挠度传感器

FTND-4结构体挠度传感器的基本原理是通过远距离非接触光电转换法测量主梁挠度。将挠度传感器主机安装在沉降或变形非常小的位置，如图1所示，被测点应指定为需要监测的截面，主机通过光学成像原理确定被测点的位移变化情况。由于主梁底面与传感器平行，无法直接对被测点进行有效观测，需要在关键截面测量点处设置与梁底刚性连接的目标靶，将主梁的挠度测量转化为观测目标靶的位移。观测数据可以通过有线或无线传输，本系统中采用光缆传输。FTND-4结构体挠度传感器参数如下：质量1.5 kg，挠度测量范围-35～35 mm，分辨率0.01 mm，精度0.1 mm，工作温度范围-25 ℃～70 ℃。

图1 挠度传感器现场布置图

2.1.2BGK-FBG-4000T型光纤光栅应变计

BGK-FBG-4000T型光纤光栅应变计的原理是应变的变化会受到光栅波长的影响，仪器通过测量波长的变化来计算应变值。该光纤光栅应变计可用于监测较大范围的静态和动态应力应变，一般通过锚杆等附加部件固定到各种固体结构表面，如混凝土或金属表面。此外，为了测量结构表面温度，本系统在应变计中内置温度补偿光栅。该光纤光栅式应变计可靠性高、传输距离长、精度高、设计寿命长达50 a，满足健康监测系统基本使用要求。BGK-FBG-4000T型光纤光栅应变计参数如下：应变测量范围-1 500×10-6～1 500×10-6，标距1 500 mm，灵敏度0.1%FS(FS表示量程范围)，精度≤1.0%FS，工作温度范围-30 ℃～80 ℃。

BGK-FBG-4000T型光纤光栅应变计为一体结构，如图2所示，将传感器尾部光纤接入光纤光栅解调仪即可得到应变计的应变数值读数。安装步骤如下：首先利用安装锚杆作为样板，保持合适的间距钻出两个深度为60 mm的孔，孔的最小直径为12.5 mm。为了使应变计能正确定位，安装块用间隔卡装到安装杆上，在定位钻孔打好后，用速凝高强环氧树脂或砂浆进行灌浆固定锚杆，如图3所示。将装好应变计的光缆穿入软管防止意外破坏，并保持光缆接头清洁。此外，当光纤光栅解调仪距离应变计较远时，可通过熔接加长光缆且不影响应变计读数。

图2 光纤光栅应变计现场布置图

图3 光纤光栅应变计安装示意图

2.1.3BGK-FBG-4420型光纤光栅测缝计

BGK-FBG-4420型光纤光栅式测缝计的工作原理是通过标尺光栅与指示光栅间的相对位移显示裂缝宽度，即通过裂缝宽度的改变引起波长变化来计算裂缝开展情况，具体构造可见图4。裂缝状态通过测缝计实时监测并传入预警系统，当裂缝值达到预警系统中的阈值后，预警系统发出相应信号，以完成裂缝的监控。该光纤光栅测缝计适用于长期监测结构裂缝或接缝开合度，同样可在测缝计中内置温度补偿光栅测量结构表面温度。BGK-FBG-4420型光纤光栅式测缝计相关参数如下：测量宽100 mm，灵敏度0.1%FS，精度≤1.0%FS，工作温度范围-30 ℃～80 ℃。

图4 测缝计构造图

安装流程如下：首先将测杆拉到恰当的位置以适应被测位置裂缝的开合程度，根据安装距离和锚杆长度用钻孔工具在先前确定的位置钻出两个孔。然后将锚杆插入钻孔并与表面齐平后用环氧树脂或水泥砂浆灌注钻孔。最后，等待水泥或环氧树脂凝固后使传感器固定，取掉球形万向节末端的卡销并用螺丝刀拧紧球头，再重新装上卡销以固定球头，同时放松螺帽。

2.1.4抓拍系统

抓拍系统通过拍摄大件运输车辆过桥，实时转播到监测中心，旨在保证车辆尽可能沿桥梁中心线行驶，避免偏载造成桥梁倾覆。其功能包括：视频捕捉、拍摄控制、图像JPEG压缩、图像数据采集、串口通讯、无线数据传输等。当超重车辆或大件运输车辆行驶在桥梁上时，抓拍系统实时完成车辆影像采集并传输到服务器，如图5(a)所示。摄像头采用JPEG串口摄像头，采集的视频和图片可根据实际需求选择多种分辨率，最大可达到1 280×960。其中，串口摄像头采用标准的JPEG图像压缩算法以保证其与常用计算机的兼容性。摄像头现场布置可见图5(b)。

(a)拍摄控制和视屏捕捉

2.2 数据采集模块

光纤光栅传感器的数据选用BGK-FBG-8600型光纤光栅解调仪采集，如图6所示。BGK-FBG-8600型光纤光栅解调仪将数据采集、激光光源、网络通讯、分析模块等几大部分集成为一体，并采用TFT彩屏显示，具有动态范围大、长期稳定性好、精度高、分辨率高、功耗低等特点。其软件系统采用实时动态波长校准技术、高速数字滤波技术、全光谱运算法，能实现100 Hz频率以下16通道同步的动态测量并具有全光谱查询功能和多种视图显示功能。软件系统搭建于Windows XPE平台上，系统简洁，操作简单，便于技术人员使用。BGK-FBG-8600型光纤光栅解调仪详细参数如下：波长范围1 525～1 565 nm，分辨率0.1 pm，精度2 pm，动态范围>50 dB，扫描频率1～100 Hz，工作温度范围0 ℃～40 ℃。

图6 BGK-FBG-8600型中速光纤光栅解调仪

2.3 数据传输模块

数据传输模块之所以采用有线与无线两种传输方式，是因为考虑到健康监测系统均采用高频动态监测，会产生海量的监测数据，不适宜全程采用无线数据传输。因此，采用本地或光纤局域网的方式对挠度、应变、裂缝等数据进行传输；
采用基于GPRS无线传输的方式将大件运输车辆通行图像、视频数据上传至监测中心。

2.4 监控中心

监测中心的主控制器是整个系统的中心控制单元，内置GPS授时模块和GPRS通讯模块。该控制器系统内采用多源异构传感器同步控制算法，通过FPGA生成硬件同步触发信号，进而同时控制整个系统的数据采集，所有传感器采集的数据均具备ms级同步精度，使得后期异构传感器数据分析和大数据融合成为可能。

2.5 预警系统

预警系统将安全等级划分为红黄绿3个等级，不同颜色代表不同安全性等级，监控中心的技术人员应根据不同颜色的含义决定如何处理桥梁的安全问题，保证桥梁处于安全状态以满足大件运输车辆的通行需求。红色表明桥梁处于危险状态，应立即停止大件运输车辆通行并采取相应的紧急措施；
黄色表明桥梁存在安全隐患，但不影响车辆行驶，之后需要进行及时地检查与维修；
绿色表示桥梁运营状态良好，能够支撑车辆安全通行。为确保预警结果的准确性，通过工程实践经验与专家共同确定各等级所对应的阈值。若监测值小于绿色等级的阈值，无需采取任何措施，当监测值大于红色等级时，预警系统立即向监控中心发出消息，技术人员可及时判断当前状况，第一时间进入现场解决问题。

以某高速一座连续箱梁桥为例对健康监测系统的具体应用进行说明。桥梁单跨跨径为20 m，跨径组合为3 m×20 m，单幅桥面净宽为12.5 m。上部结构采用满堂支架现浇预应力整体箱，混凝土采用C50。该桥建于2008年，根据其2021年桥梁检测报告可知，桥梁技术状况等级为二级。首先根据桥梁受力特性设置相应数量的挠度传感器和应变计，传感器布设可见图7(a)，然后将传感器和相应的数据采集设备相连，如图7(b)所示。通行的大件运输车辆类型与其荷载形式可参考文献[14]中提出的C-II型大件运输车辆，图7(c)给出了大件运输车辆通行时抓拍设备进行实时监控的图像数据。数据采集系统采集到的数据通过系统处理之后，技术人员可以直观地观察数据变化，比如应变与挠度数据，其时程曲线如图7(d)和图7(e)所示。最后，将所有监测数据传输到预警系统中进行安全性判定，结果显示为绿色，表明桥梁运行状态正常，大件运输车辆可安全通过该桥。

(a)桥型布置与传感器布设图

本文以大件运输车辆过桥安全性评估的需求为契机，结合桥梁受力特性和监测数据要求设计了一套大件运输车辆过桥监测系统。该系统采用精度较高的传感器搭配性能较好的数据采集仪器，灵活运用无线和有线两种方式完成桥梁结构数据由传感器到数据库的传输。现场的应用过程与监测结果表明该系统操作方便简洁，有较高的精度和较好的稳定性，能准确获取传感器数据并存入数据库，为大件运输车辆安全性评估提供数据支持。适合于对大件运输车辆通行频率最高的桥梁节点与技术状况较差的桥梁进行健康监测时使用，其评估结论能代表整条线路的桥梁整体状况，以此降低资金投入，便于推广应用。

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